ग्रॅफाइट

ग्रॅफाइट : हे कार्बनाचे नैसर्गिक रीत्या आढळणारे एक बहुरूप (एकाच मूलद्रव्याच्या अनेक स्वरूपांपैकी एक स्वरूप) आहे. ग्रॅफाइट, हिरा व कोळसा ही कार्बनाचीच बहुरूपे आहेत, परंतु त्यांचे गुणधर्म आश्चर्य वाटण्याइतके भिन्न आहेत. ग्रॅफाइट शिशासारखे दिसते, म्हणून त्यास लॅटिनमधील शिसे या अर्थाचे प्लंबॅगो हे नाव देण्यात आले. ब्लॅक लेड, सिल्व्हर लेड, कार्ब्युरेट ऑफ आयर्न, क्रेयॉन न्वार इ. नावांनीही ग्रॅफाइट ओळखले जाते. बराच काळपर्यंत ग्रॅफाइटाचा त्याच्यासारख्या दिसणाऱ्या मॉलिब्डेनाइटाशी घोटाळा होत असे. मात्र ते मॉलिब्डेनाइटापेक्षा काळसर आणि वजनाने हलके असते. मॉलिब्डेनाइटाचा कस थोडा हिरवट तर ग्रॅफाइटाचा काळा असतो. ग्रॅफाइट जस्ताबरोबर मोरचुदात बुडवून ठेवले, तर त्यावर तांब्याचा लेप सहज चढतो. मात्र मॉलिब्डेनाइट अशाच प्रकारे मोरचूदामध्ये ठेवल्यास त्यावर तांब्याचा लेप अगदी सावकाश व थोड्या प्रमाणात चढतो. १५६५ मध्ये गेस्नर यांनी ग्रॅफाइटाची वेगळे खनिज म्हणून नोंद केली. १७७९ मध्ये शेले यांनी ग्रॅफाइटाचे ⇨ऑक्सिडीभवन  झाल्यास कार्बन डाय-ऑक्साइड वायू मिळतो यावरून ते कार्बनाचे बनलेले असते हे दाखवून दिले. १७८९ मध्ये व्हेर्नर यांनी लिहिणे या अर्थाच्या ‘ग्राफेइन’ या ग्रीक शब्दावरून ग्रॅफाइट हे नाव या खनिजास दिले.

व्यवहारात ग्रॅफाइटाचे स्फटिकी आणि अस्फटिकी असे दोन प्रकार करतात. त्याचे स्फटिक षट्‍कोणी किंवा समांतर षट्फलकीय समूहाचे असतात. ते लहान वडीसारखे व षट्‍कोणी असतात परंतु क्वचितच आढळतात. सामान्यतः ग्रॅफाइटाच्या बारीक धलप्या, चकत्या, पापुद्रे वा बारीक कण यांचे मिश्रण आढळते. हे मिश्रण मातीसारखे दिसते. कधीकधी याचे स्फटिक अगदी सूक्ष्म असतात म्हणजे ते गूढस्फटिकी (अतिशय बारीक स्फटिक असलेले) असते आणि काळ्या पिठासारखे दिसते, म्हणून ते स्फटिकमय असूनदेखील त्याला अस्फटिकी ग्रॅफाइट हे व्यापारी नाव देतात. कधीकधी ते स्तंभाकार वा अरीय (त्रिज्येच्या दिशेत मांडलेल्या) राशींच्या स्वरूपात आढळते. अशा स्फटिकांच्या पायास समांतर (001) ⇨पाटन  व्यवस्थित तयार झालेले असल्यास ग्रॅफाइटाची अगदी पातळ व नम्य (लवचिक) परंतु अप्रत्यास्थ पत्रके निघतात.

आणवीय संरचना : ग्रॅफाइट व हिरा यांच्या आणवीय संरचना बऱ्याच प्रमाणात सारख्या असतात. कार्बनाचे अणू ठराविक पद्धतीने जोडले जाऊनच दोहोंच्या संरचना तयार होतात. हिऱ्याच्या संरचनेत प्रत्येक कार्बनाच्या अणूभोवती चार कार्बनाचे अणू सारख्या अंतरावर असतात. म्हणजे ते समभुज चतुष्फलकाच्या चार टोकांवर व मधला अणू चतुष्फलकाच्या मध्यावर असे असतात ग्रॅफाइटाच्या प्रत्येक कार्बनाच्या अणूभोवतीही कार्बनाचे चार अणू असतात. मात्र ते सारख्या अंतरावर नसतात. चारांपैकी तीन जवळजवळ व एकाच पातळीत असतात व चौथा सापेक्षतः लांब अंतरावर असतो. एकाच पातळीत असलेले कार्बनाचे अणू एकमेकांस जोडले जाऊन षट्‍कोणी वलये तयार होतात व ती एकमेकांस जोडली जाऊन कार्बनाच्या षट्‍कोणी वलयांचे जाळे असलेले पत्रक तयार होते. पत्रकातील कार्बनाचा प्रत्येक अणू शेजारच्या तीन अणूंशी १२o^o कोन करतो. ही पत्रके स्फटिकाच्या पायाला, अर्थातच एकमेकांना समांतर आणि C— अक्षाला लंबरूप अशी एकावर एक रचली जाऊन ग्रॅफाइटाचे स्फटिक तयार होतात. आकृतीत दर्शविल्याप्रमाणे अआ अआ अआ …… अशा रीतीने पत्रके एकावर एक रचली गेल्यास षट्‍कोणी तर अआइ अआइ अआइ …… अशी रचली गेल्यास समांतर षट्फलकीय स्फटिक तयार होतात.

गुणधर्म : ग्रॅफाइट मऊ, गुळगुळीत व काळ्या रंगाचे असते. ते हाताळल्यास हात मळकट होतात व कागदावर त्याची काळी रेघ उमटते. कठिनता १ ते २. वि.गु.१·९ ते २·३. कस काळा व चमक धातूसारखी तर कधीकधी मातीसारखी असते. साध्या प्रकाशात ते अपारदर्शक असते,  मात्र त्यातून क्ष-किरण जाऊ शकतात. रा. सं. मुख्यतः कार्बन, परंतु हिऱ्याइतके ते शुद्ध नसते. सामान्यतः लोहाचे ऑक्साइड, चुनखडी किवा क्वॉर्ट्झ, अभ्रक यांसारखी सिलिकेटी खनिजे त्यात मलद्रव्याच्या स्वरूपात असतात आणि ग्रॅफाइट जाळल्यावर कधीकधी २o टक्क्यांपर्यंत राख पडते. ग्रॅफाइटाचे विशेष गुणधर्म म्हणजे प्रखर उष्णतेचा किंवा विरल अम्ले आणि वितळलेले क्षार (अम्लाशी विक्रिया झाल्यास लवण देणारे पदार्थ, अल्कली) यांचा त्याच्यावर परिणाम होत नाही. संहत (विद्रावात जास्त प्रमाण असलेले) सल्फ्यूरिक व नायट्रिक अम्ल आणि पोटॅशियम क्लोरेट यांच्याबरोबर ग्रॅफाइटाची विक्रिया होऊन ग्रॅफाइटिक अम्ल तयार होते.

आढळ : ग्रॅफाइट मुख्यत्वेकरून प्रादेशिक (खडक दाबले जाऊन व भूकवचाच्या हालचालींनी तापमान वाढून खडकांत बदल होऊन) व संस्पर्शी (अग्निज खडकाची राशी जवळ असल्याने खडकांत बदल होऊन) रूपांतरणाने तयार झालेल्या संगमरवर, पट्टिताश्म, सुभाजा, क्वॉर्ट्‍‌झाइट यांसारख्या खडकांत, तसेच रूपांतरण झालेल्या कोळशाच्या थरात आढळते. खनिज शिरा, पेग्मटाइट भित्ती व अग्निज खडक यांतदेखील ते सापडते. अगदी लहान आकारमानाच्या चकत्या व धलप्या असलेले स्फटिकी ग्रॅफाइट रूपांतरित खडकांत इतस्ततः पसरलेले असते. अस्फटिकी प्रकार धुळीसारखा असतो. ग्रॅफाइटाचे काही निक्षेप (साठे) मोठ्या आकारमानाचे असतात. त्यांत ग्रॅफाइटाचे प्रमाण ७ टक्क्यांपर्यत असू शकते. क्वॉर्ट्‌झ, क्लोराइट, रूटाइल, टिटॅनाइट, गार्नेट व सिलिमनाइट ही खनिजे ग्रॅफाइटाबरोबर आढळतात. विखुरलेल्या कणांच्या स्वरूपातील व भेगा किंवा खनिज शिरा यांच्यातील ग्रॅफाइटाचे निक्षेप अधिक महत्त्वाचे होत. ते मुख्यत्वतेकरून अगदी जुन्या म्हणजे कँब्रियनपूर्व व पूर्व पुराजीव (सु. ६o ते ४o कोटी वर्षांपूर्वीच्या) काळातील खडकांत आढळते. अस्फटिकी ग्रॅफाइट त्यानंतरच्या खडकांत आढळते.

उत्पत्ती : (१) प्रादेशिक रूपांतरणाने (२) ग्रॅफाइट, सायेनाइट व बेसाल्ट या खडकांत ते आढळते त्यावरून अग्निज खडक शिलारसापासून स्फटिकीभवनाने तयार होत असताना (३) संस्पर्शी रूपांतरणाने उदा., कलाबोगी (आँटॅरिओ) व कॅनडामध्ये अग्निज अंतर्वेशनाने (घुसल्याने) तयार झालेल्या खडकांशेजारी असणाऱ्या चुनखडकांत ते इतर रूपांतरित सिलिकेटांबरोबर आढळते (४) खनिज शिरांमध्ये पेग्मटाइटात आणि सुभाजातील खनिजांच्या पत्रकांमधील रिकाम्या जागांत असणारे ग्रॅफाइट जलतापीय (उच्च तापमानाच्या पाण्याचा परिणाम झालेल्या) विद्रावांबरोबर बाहेरून येऊन निक्षेपित होते. वरीलपैकी (२), (३) आणि (४) मधील ग्रॅफाइट शिलारसापासून आलेले असते.

काही अस्फटिकी ग्रॅफाइटाचे थर कोळशाच्या थरांचे संस्पर्शी रूपांतरण होऊन तयार झालेले आहेत. उदा., सोनोरा (मेक्सिको) या ठिकाणी अगदी तिरप्या किंवा उभट अशा ट्रायासिक कालीन (सु. २३ ते २o कोटी वर्षांपूर्वीच्या काळातील) वालुकाश्माच्या थरांमध्ये संपुंजित ग्रॅफाइटाचे अनेक थर आहेत. या वालुकाश्माच्या आसपास अँथ्रॅसाइट कोळशाचे बरचे निक्षेप आहेत. येथे ट्रायासिक कालीन कोळशाच्या थरांमध्ये झालेल्या अग्निज अंतर्वेशनांनी कोळसा भाजून निघाल्यामुळे ग्रॅफाइट तयार झालेले दिसते. कोळशातील बाष्पनशील द्रव्ये बाहेर घालवून दिली जाऊन उरलेल्या कार्बनापासून ८o ते ८५ टक्के ग्रॅफाइट असलेला गूढस्फटिकी प्रकार तयार झाला आहे.

फार मोठ्या प्रमाणावर झालेल्या प्रादेशिक रूपांतरणाने तयार झालेल्या अगदी जुन्या खडकात विखुरलेल्या धलप्यांच्या किंवा चकत्यांच्या स्वरूपातील ग्रॅफाइट आढळते. रूपांतरित खडकांत ग्रॅफाइटाच्या धलप्या, सुया, चकत्या ह्या त्यांच्याबरोबर आढळणाऱ्या अभ्रकाच्या पत्रकांप्रमाणे एकमेकांना समांतर व रांगेत मांडलेल्या असतात. कधीकधी असे ग्रॅफाइट एकाआड एक अशा पट्ट्यांतही आढळते. प्रादेशिक रूपांतरणाने तयार झालेल्या ग्रॅफाइटाबद्दल दोन प्रकारची मते आहेत. गाळामध्ये पूर्वी असलेल्या कार्बनी पदार्थाचे रूपांतरण होऊन ते तयार झाले असावे किंवा ते कॅल्शियम कार्बोनेटांचे विघटन होऊन (तुकडे होऊन) तयार झाले असावे. काळ्या रंगाच्या, कार्बनयुक्त चुनखडकाच्या रूपांतरणाने विखुरलेले ग्रॅफाइट असलेला संगमरवर तयार होतो. एक तर मूळच्या हायड्रोकार्बनांचे विघटन होऊन नंतर त्यांपासून कार्बन अगदी सरळ अवक्षेपित (न विरघळणारा साका तयार होणे) होत असावा किंवा त्यांच्यापासून प्रथम कार्बन मोनॉक्साइड व कार्बन डाय-ऑक्साइड तयार होत असावेत. पुढे त्यांचे ⇨क्षपण  होऊन कार्बन अवक्षेपित होत असावा. काहींच्या मते कार्बोनेटांचे विघटन होऊन त्यांच्यातील कॅल्शियम, मॅग्नेशियम व लोह बाजूला निघून त्यांची सिलिकेटे होतात आणि कार्बन मोनॉक्साइड व कार्बन डाय-ऑक्साइड तयार होतात. या दोहोंतील ऑक्सिजन बाहेर घालवून दिल्यामुळे ग्रॅफाइट तयार होते.

श्रीलंकेतील ग्रॅफाइट हे खनिज शिरेतील निक्षेपाचे आदर्श उदाहरण होय. ते खडकातील भेगांमध्ये आढळते. (१) वायुरूप कार्बनी संयुगाचे उच्च तापमानामध्ये विघटन होऊन किंवा (२) शिलारसातील कार्बनाचे अवक्षेपण होऊन ते तयार झाले असावे. चुनखडक व डोलामाइट यांचे चार्नोकाइट व तत्सम शिलारसांमध्ये सात्मीकरण (मिसळून आत्मसात होण्याची क्रिया) होत असताना जो कार्बन डाय-ऑक्साइड वायू निर्माण झाला, त्याचे उच्च दाब व तापमान यांच्या परिस्थितीत क्षपण होऊन शिरांतील ग्रॅफाइट तयार झाले असावे. श्रीलंकेतील खनिज, शिरा, भित्ती, पेग्मटाइट यांत व इतर जलतापीय परिस्थितीत निर्माण झालेल्या ग्रॅफाइटाच्या संरचना अगदी विशिष्ट प्रकारच्या आहेत. शिरांच्या किंवा भिंत्तींच्या कडांकडून मध्याकडे वाढलेले स्फटिक आढळतात. कधीकधी भित्तींना समांतर, एका शेजारी एक असे ग्रॅफाइटाचे निरनिराळ्या प्रकारचे उभे पट्टे तयार होऊन स्तंभाकार संरचना तयार झालेली आढळते. निरनिराळ्या पट्ट्यांची जाडी, त्यांतील ग्रॅफाइटाचे वयन (सूक्ष्म संरचना, पोत), कठिनता, निर्मलता या सर्व बाबतींत विविधता दिसून येते. कधी तंतुमय ग्रॅफाइटाच्या धाग्यांचा वाटेल तसा गुंता झालेला असतो, तर कधीकधी ग्रॅफाइटाचे धागे मध्यापासून चाकाच्या अऱ्यांप्रमाणे सर्व दिशांत पसरत जाऊन त्यांच्या तारकाकृती तयार झालेल्या असतात. लांबट धाग्यांचे असंख्य तुकडे होऊन बारीक सुयांसारखे किंवा चूर्णरूप ग्रॅफाइट तयार झालेले असते.

ग्रॅफाइटाचे साठे : ग्रॅफाइटाचे निक्षेप जगातील बहुतेक सर्व भागांत आहेत. परंतु मॅलॅगॅसी (मादागास्कर), श्रीलंका, मेक्सिको, ऑस्ट्रिया, जर्मनी, कोरिया, नॉर्वे आणि इटली हे देश प्रामुख्याने त्याचे उत्पादन करतात. सर्वांत जास्त उत्पादन कोरियात होते. श्रीलंकेमध्ये खनिज शिरांच्या स्वरूपात आढळणारे ग्रॅफाइटाचे साठे जगातील सर्वांत मोठे आहेत. उत्पादनाच्या बाबतीत ऑस्ट्रियाचा दुसरा क्रमांक लागतो. तेथील बहुतेक सर्व निक्षेप लहान व अरुंद अशा भिंगासारख्या आकाराच्या स्वरूपात आढळतात. नॉर्वे, इटली व स्पेनमध्ये थोडे ग्रॅफाइट सापडते. दर्जा व स्फटिकांचे आकारमान या दृष्टींनी मॅलॅगॅसीमधील निक्षेप महत्त्वाचे आहेत. यांव्यतिरिक्त नैर्ऋत्य आफ्रिका, अमेरिका व कॅनडा या देशांत ग्रॅफाइटाचे थोडे फार उत्पादन होते. भारतातील पूर्व घाटामधील खोंडालाइट खडकांत ग्रॅफाइट विशेषेकरून सापडते. आंध्र प्रदेश, ओरिसा व केरळात तसेच बिहार, राजस्थान व मध्य प्रदेशात ग्रॅफाइट मुख्यत्वेकरून आढळते. जम्मू व काश्मीर, कर्नाटक, पंजाब, उत्तर प्रदेश, पश्चिम बंगाल या राज्यांत ते थोड्या फार प्रमाणात आढळते. १९४८ च्या भारताच्या अणुऊर्जा अधिनियमाखाली ग्रॅफाइट येत असल्याने त्यासंबंधीची आकडेवारी प्रसिद्ध केली जात नाही.

उपयोग : ग्रॅफाइट उच्चतापसह (उच्च तापमानास टिकणारे) असल्यामुळे अगदी लहान मुशी ते अर्धा टन धातूचा रस मावेल इतक्या मोठ्या मुशी बनविण्यासाठी ते वापरतात. ते मऊ, गुळगुळीत, साबणासारखे व उच्चतापसह असल्यामुळे शुष्क वंगण म्हणून वापरतात. कारखान्यातील धातूंच्या वस्तूंचे अम्लांपासून व अपायकारक धुरांपासून संरक्षण करण्याकरिता त्यांच्यावर ग्रॅफाइटाच्या रंगाचे लेपन करतात. ते मऊ असून त्याने कागदावर लिहिता येते म्हणून पेन्सिलीचे ‘शिसे’ बनविण्यासाठी ग्रॅफाइट वापरतात. विद्युत् वाहक व वंगणासारखे असल्यामुळे विद्युत् जनित्रात त्याच्या स्पर्शक पट्ट्या वापरतात. नुसत्या ग्रॅफाइटाची पूड किंवा ग्रॅफाइट व संगजिरे यांच्या बारीक चूर्णाचे मिश्रण धातूंचे ओतकाम करण्यासाठी जे साचे वापरतात त्यांच्या पृष्ठभागावर पिठीप्रमाणे लावतात. यामुळे धातूचा तप्त रस साच्यात ओतल्यावर तो साच्याच्या पृष्ठभागाला चिकटून राहत नाही. युरेनियमापासून निघणाऱ्या न्यूट्रॉनांचा वेग नियंत्रित करण्यासाठी अणुभट्ट्यांमध्ये ग्रॅफाइटाच्या विटा वापरतात. शुष्क विद्युत् घट, विद्युत् अग्रे आणि विजेची इतर काही उपकरणे व त्यांचे भाग बनविण्यासाठी ग्रॅफाइट वापरतात. वितळलेल्या लोहात ते विरघळून एकरूप होते म्हणून पोलादातील कार्बनाचे प्रमाण वाढविण्यासाठीही ते वापरतात.

कृत्रिम ग्रॅफाइट : पेट्रोलियम कोक, काजळी, अँथ्रॅसाइट कोळसा यांसारखे कार्बनयुक्त पदार्थ डांबराबरोबर ९oo^o ते १,८oo^o से. तापमानापर्यंत तापवून प्रथम ‘भाजलेला कार्बन’ तयार करतात. हा कार्बन पुढे अचेसन नावाच्या विद्युत् भट्ट्यांत २,२oo^o से. किंवा अधिक तापमानास तापविला असता त्याचे ग्रॅफाइटात रूपांतर होते. अशा ग्रॅफाइटीकरणाच्या प्रक्रियेत, भाजलेला कार्बन नेहमीच्या वातावरणाच्या तापमानापासून ३,ooo ^o से.पर्यंत तापवितात. जसजसे तापमान वाढत जाते तसतसे भाजलेल्या कार्बनाच्या रासायनिक व भौतिक गुणधर्मांमध्ये अनेक बदल होत जातात. सु. १,५oo ⁰ से.पर्यंत आकारमानात किंवा इतर कुठलेही लक्षात येण्यासारखे बदल होत नाहीत. या तापमानाच्यावर त्यातील हायड्रोजन व गंधक बाहेर पडू लागतात. १,५oo⁰ से. ते २,ooo⁰ से.च्या दरम्यान बहुतेक सर्व भाजलेल्या कार्बनाच्या आकारमानामध्ये o·२ ते o·६ टक्के वाढ होते. २,ooo⁰ से. च्या आसपास स्फटिकी ग्रॅफाइट तयार होण्यास सुरुवात होते. २,ooo ⁰ से.च्या पुढे त्यात असलेल्या मूलद्रव्यांची राख होऊन ती बाहेर पडू लागते. यामुळे आकारमानात अल्पशी घट होते. स्फटिकांची वाढ २,६oo⁰ से. पर्यंत होत राहते. यापुढे तापमानाच्या वाढीबरोबर ग्रॅफाइटाच्या बऱ्याचशा गुणधर्मांमध्ये म्हणण्यासारखे फरक पडत नाहीत. मात्र उष्णता संवाहकता, विद्युत् संवाहकता व तत्सम इतर वाहक गणुधर्म ३,ooo⁰ से. पर्यंत बदलत जातात. ग्रॅफाइटीभवन हे तापमान व तापविण्याचा वेळ या दोहोंवर अवलंबून असते, मात्र ते प्रत्यक्ष तापमानावरच जास्त अवलंबून असते.

नायगारा धबधबा (न्यूयॉर्क राज्य) येथे मोठ्या प्रमाणात कृत्रिम रीतीने ग्रॅफाइट तयार करतात. नैसर्गिक ग्रॅफाइटाशी कृत्रिम ग्रॅफाइटाची मोठ्या प्रमाणात स्पर्धा असून ते शुष्क विद्युत् घट, रंग पेन्सिली व विद्युत् अग्रे करण्यासाठी वापरतात.

संदर्भ :  1. Bateman, A. M. Economic Mineral Deposits, New York, 1962.

    2. Nightingale, R. E. Nuclear Graphite, New York, 1962.

    3. Ubbelohde, A. R Lewis, F. A. Graphite and Its Crystal Compounds, New York, 1960.

आगस्ते, र. पां.

“